一種用於增強傳感器靈敏度的複合光波導的製作方法

2023-05-27 16:26:41

專利名稱：一種用於增強傳感器靈敏度的複合光波導的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製作高靈敏度傳感器光波導，具體涉及一種用於增強傳感器
靈敏度的複合光波導。
背景技術：
基於光學的傳感器主要包括光纖傳感器和集成光學傳感器，它們具有的優勢是 良好的穩定性、靈敏度高、響應速度快、抗電磁幹擾、抗腐蝕性強、可以同時實現對多種物質 的分析、便於集成於光通信網中以及適於低成本大規模製造。 光纖傳感器的研究最早始於上世紀70年代，但由於製造技術的限制，直到上世紀 90年代初，也只有少數光纖傳感器在市場上出現。同時，早期的光纖傳感器只是小批量生 產，相對產品價格較高。20世紀90年代後，隨著各種光纖製造技術的成熟，更多的光纖傳感 器在不斷地商業化，比如壓力應力傳感器、液體流量傳感器、電流電壓傳感器、化學傳感器、 溼度傳感器等。目前世界上已有五百多家企業生產各類光纖傳感器。 與基於同樣原理的光纖傳感器相比，集成光學傳感器具有更高的靈敏度，更易實 現小型化和陣列化，更易於批量化生產並因此具有更低的製作成本，而且，在某些方面，集 成光學傳感器具有光纖傳感器不可比擬的優勢，比如集成光學傳感器可以更方便地製作多 種傳感器結構，實現更好的功能。 在各種原理的光學傳感器中，基於倏逝波原理的光學傳感器是一類重要的傳感 器。以倏逝波吸收原理為例，基於集成光學的該傳感器的光波導結構如圖1、圖2所示，包括 光波導的下包層1和條形限制區2，以及傳感層3。條形限制區2的折射率高於下包層1和 傳感層3的折射率，如倏逝波傳感器光波導折射率分布曲線4所示。傳感層3的特定成分 的待測物質形成對特定波長的選擇吸收，從而可以對待測物質進行定性和定量的測試。由 於傳感層3的折射率低於條形限制區2的折射率，光導波的能量大部分分布在條形限制區 2，如圖1所示，圖中5是倏逝波傳感器光波導模場分布曲線。從圖中可以傳感層3中的光 強很弱，傳感器的敏感程度很低。而且，傳感器的敏感程度受限於傳感層3的折射率，這使 得傳感器製作的工藝容差很小。

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於增強傳感器靈敏度的複合光波導，採用狹縫波導 結構，增強光導波與傳感膜的相互作用，提高傳感器靈敏度。
本發明解決其技術問題採用的技術方案是 本發明包括下包層、條形限制區和傳感層；本發明在傳感層從下至上依次設置平 板形限制區和上包層；條形限制區折射率大於下包層的折射率；平板形限制區的折射率大 於上包層的折射率；傳感層折射率小於條形限制區和平板形限制區的折射率。
本發明與背景技術相比具有的有益效果是 本發明通過引入垂直於基片方向上的狹縫波導結構，與傳統的基於倏逝波原理的
3集成光學光學傳感器相比，增強了光導波與傳感層的相互作用，提高了傳感器的靈敏度。
這種光波導可以看作是條形光波導與平板光波導的組合，製作工藝簡單。


圖1是傳統的基於倏逝波原理的集成光學光學傳感器光波導結構。 圖2是對應於圖1所示光波導結構的折射率分布曲線和模場分布曲線。 圖3是基於狹縫結構的複合光波導集成光學傳感器光波導結構。 圖4是對應於圖3所示光波導結構的折射率分布曲線和模場分布曲線。
圖中1、下包層；2、條形限制區；3、傳感層；4、倏逝波傳感器光波導折射率分布曲
線；5、倏逝波傳感器光波導模場分布曲線；6、平板形限制區；7、上包層；8、複合光波導折射
率分布曲線；9、複合光波導的模場分布曲線。
具體實施例方式
如圖3所示，本發明包括下包層1、條形限制區2和傳感層3 ;本發明在傳感層3從下至上依次設置平板形限制區6和上包層7 ;條形限制區2折射率大於下包層1的折射率；平板形限制區6的折射率大於上包層7的折射率；傳感層3折射率小於條形限制區2和平板形限制區6的折射率。 所述的下包層1、條形限制區2、平板形限制區6和上包層7的材料為二氧化矽、玻璃、光波導聚合物或是矽材料。 如圖4所示，複合光波導折射率分布曲線8表示了下包層1、條形限制區2、傳感層3、平板形限制區6和上包層7折射率大小的相互關係。從複合光波導的模場分布曲線9可以看出，本發明的光波導中傳感層3中的光場強於背景技術中的傳感層3中的光場，傳感器靈敏度得到提高。 這種光波導可以看作是下包層1和條形限制區2組成的條形光波導與平板形限制
區6和上包層7組成的平板光波導的疊加。傳感層3的材料是待測物質。 本發明所述的複合光波導製作方法可以通過多種方式實施，下面以離子交換玻璃
基波導構成這種複合光波導的情況為例說明。 傳感器複合光波導的主要製作步驟 (1)選擇兩片雙面拋光的含有Na20的矽酸鹽玻璃基片(玻璃中Na20重量含量5 25% )，折射率1.4 1.8之間。 (2)第一個玻璃基片上離子交換條波導的製備。 以第一個玻璃基片為上包層l，通過離子交換工藝在玻璃基片上製作條形限制區2。
在第一個玻璃基片表面，採用微細加工工藝製作掩膜，獲得條形離子交換窗口。
*將帶有掩膜的第一個玻璃基片放入240 56(TC下，含有AgN03的熔鹽(AgN03的重量含量O. 1 100% )中，保溫2 30分鐘。熔鹽中的Ag+離子擴散進入玻璃基片，取代玻璃中Na+離子的位置，提高擴散區的折射率，擴散區形成條形限制區2。條形限制區2的折射率高於玻璃基片0. 001 0. 1。 (3)第二個玻璃基片上離子交換平板波導的製備
4
將第二個玻璃基片放入240 56(TC下，含有AgN03的熔鹽(AgN03的重量含量0. 1 100%)中，保溫2 30分鐘。熔鹽中的八8+離子擴散進入玻璃基片，取代玻璃中化+離子的位置，提高擴散區的折射率，擴散區形成平板形限制區6。平板形限制區6的折射率高於玻璃基片0. 001 0. 1。 (4)在第一個玻璃基片的條形限制區2 —側製作傳感層，用塗敷法或其它方法實現。傳感層3的折射率在1. 0 1. 4之間，傳感膜厚度在0. 1 1微米之間。
(5)將第二個玻璃基片與第一個玻璃基片組成圖3所示的光波導結構。
權利要求
一種用於增強傳感器靈敏度的複合光波導，包括下包層(1)、條形限制區(2)和傳感層(3)；其特徵在於在傳感層(3)從下至上依次設置平板形限制區(6)和上包層(7)；條形限制區(2)折射率大於下包層(1)的折射率；平板形限制區(6)的折射率大於上包層(7)的折射率；傳感層(3)折射率小於條形限制區(2)和平板形限制區(6)的折射率。
2. 根據權利要求1所述的一種用於增強傳感器靈敏度的複合光波導，其特徵在於所述的下包層(1)、條形限制區(2)、平板形限制區(6)和上包層(7)的材料為二氧化矽、玻 璃、光波導聚合物或是矽材料。
全文摘要
本發明公開了一種用於增強傳感器靈敏度的複合光波導。包括下包層、條形限制區和傳感層；在傳感層從下至上依次設置平板形限制區和上包層；條形限制區折射率大於下包層的折射率；平板形限制區的折射率大於上包層的折射率；傳感層折射率小於條形限制區和平板形限制區的折射率。本發明通過引入垂直於基片方向上的狹縫波導結構，與傳統的基於倏逝波原理的集成光學光學傳感器相比，增強了光導波與傳感層的相互作用，提高了傳感器的靈敏度。
文檔編號G02B6/00GK101776465SQ20101010025
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月25日 優先權日2010年1月25日
發明者周強, 李宇波, 李錫華, 楊建義, 江曉清, 王明華, 谷金輝, 鄭偉偉, 郝寅雷 申請人:浙江大學